용접 왜곡: 전문가처럼 제어하는 팁

용접 구조물은 산업에서 널리 사용되지만, 주로 용접 조인트와 관련된 고유한 문제를 안고 있는 경우가 많습니다. 이러한 과제는 몇 가지 주요 영역으로 분류할 수 있습니다:

1. 잔여 스트레스 및 왜곡:

용접 공정은 국부적이고 강렬한 가열과 빠른 냉각을 유도하여 불균일한 열팽창과 수축을 초래합니다. 이러한 열 순환은 용접된 구조물에 잔류 응력과 왜곡을 유발합니다. 이러한 문제는 치수 정확도와 미적 품질을 저하시킬 뿐만 아니라 용접 후 작업도 복잡하게 만듭니다. 심한 경우 전반적인 구조적 무결성과 하중 지지력이 크게 손상될 수 있습니다.

2. 미세 구조적 변화:

용접 접합부는 형성 과정에서 용융, 응고, 열 영향 영역(HAZ) 발생의 세 가지 단계를 거칩니다. 각 단계는 재료의 미세 구조를 변경하여 기계적 특성, 내식성 및 피로 거동을 잠재적으로 변경합니다. 특히 HAZ는 모재 및 용접 금속과 현저하게 다른 특성을 나타낼 수 있습니다.

3. 머티리얼 속성 변경:

용접은 기본 재료의 특성을 크게 변경할 수 있습니다. 이러한 변화에는 강도, 연성, 인성 및 경도의 변경이 포함될 수 있습니다. 일부 합금에서는 침전 경화 또는 입자 성장이 발생할 수 있으며, 다른 합금에서는 과도한 노화로 인한 연화가 관찰될 수 있습니다. 이러한 야금학적 변화를 이해하고 완화하는 것은 용접 구조물에서 원하는 재료 특성을 유지하는 데 매우 중요합니다.

4. 스트레스 농도 및 실패 모드:

용접 응력, 특히 잔류 응력은 다양한 고장 메커니즘의 중요한 원인으로 작용합니다:

• 취성 골절: 특히 고강도 강재 또는 저온 조건에서 발생하기 쉽습니다.
• 피로 골절: 주기적 하중 하에서 균열 시작 및 전파 가속화
• 응력 부식 균열: 부식성 환경에서의 민감성 향상
• 좌굴 및 불안정성: 특히 벽이 얇은 구조물이나 압축을 받는 구성 요소의 경우

5. 치수 부정확성:

용접 왜곡은 용접된 구조물의 모양과 치수의 변화로 나타납니다. 이는 다음과 같은 결과로 이어질 수 있습니다:

• 결합 구성 요소의 정렬 불량
• 조립 및 장착의 어려움
• 유도된 편심으로 인한 구조적 효율성 감소
• 지정된 허용 오차 및 설계 요구 사항 미준수

이러한 왜곡은 용접 구조물의 제조 품질, 기능적 성능 및 서비스 수명에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 부작용을 최소화하려면 적절한 접합부 설계, 열 입력 제어, 용접 순서, 용접 후 처리와 같은 완화 전략이 필요한 경우가 많습니다.

용접 응력 및 왜곡 발생

1. 용접 응력 및 왜곡에 대한 기본 지식

1. 왜곡

용접 왜곡은 용접 공정에 내재된 불균일한 가열 및 냉각 주기로 인해 공작물의 모양과 치수가 의도하지 않게 변경되는 것을 말합니다. 이 현상은 재료의 국부적인 열팽창 및 수축과 열 영향 영역(HAZ)의 상 변형으로 인해 발생합니다.

2. 스트레스

응력은 외부 하중 또는 열 구배와 같은 기타 요인에 반응하여 재료 내에서 작용하는 단위 면적당 내부 힘으로 정의됩니다. 용접에서 응력은 다음과 같이 나타납니다:

• 열 스트레스: 난방 및 냉방 시 온도 차이로 인해 발생합니다.
• 잔류 응력: 모든 외부 하중이 제거된 후에도 재료에 지속됩니다.
• 기계적 스트레스: 용접 프로세스 중 외부의 힘이나 제약 조건에 의해 유발됨

3. 용접 응력 및 용접 왜곡

용접 응력은 용접 공정 중 및 용접 공정 후에 용접물 내에서 발생하는 복잡한 내부 응력 시스템을 의미합니다. 이러한 응력은 다음에서 발생합니다:

• 균일하지 않은 가열 및 냉각 주기
• 머티리얼 위상 변환
• 열팽창 및 수축의 제약

용접 왜곡은 용접 응력의 누적 효과로 인해 발생하는 용접물의 형상 및 치수의 측정 가능한 변화를 말합니다. 용접 왜곡의 일반적인 유형은 다음과 같습니다:

• 세로 수축
• 가로 수축
• 각도 왜곡
• 절 또는 접시

용접 설계 및 제작 공정에서 효과적인 완화 전략을 구현하려면 용접 응력과 뒤틀림의 상호 관계를 이해하는 것이 중요합니다.

2. 용접 응력 및 왜곡의 원인

1. 용접부의 고르지 않은 가열

(1) 긴 스트립의 중앙 가열로 인한 응력 및 왜곡(표면 처리와 유사)

가열 및 냉각 중 스틸 스트립 중심부의 응력 및 왜곡

(2) 긴 스트립의 한쪽에 가열로 인한 응력 및 왜곡(플레이트 가장자리 표면과 동일)

한쪽의 가열 및 냉각 중 스트레스 및 왜곡 강판 edge

2. 용접 금속의 수축

3. 금속 구조 변경

4. 용접의 강성 및 구속성

용접 왜곡

1. 용접 왜곡의 유형 및 영향 요인

용접 왜곡은 수축 왜곡, 각도 왜곡, 굽힘 왜곡, 파동 왜곡 및 변형 왜곡의 다섯 가지 기본 형태로 나눌 수 있습니다.

용접 왜곡의 기본 형태

1). 수축 왜곡

용접물의 크기가 용접 전보다 짧아지는 현상을 수축 왜곡이라고 합니다.

세로 및 가로 수축 왜곡

(1) 세로 수축 왜곡

(2) 가로 수축 왜곡

2). 각도 왜곡

각도 왜곡의 근본 원인은 판 두께를 따라 가로 수축이 고르지 않게 분포하기 때문입니다.

여러 관절의 각도 왜곡

T-조인트의 각도 왜곡

3). 굽힘 왜곡

굽힘 왜곡은 용접의 중심선과 구조 섹션의 중립축이 일치하지 않거나 비대칭일 뿐만 아니라 용접 폭을 따라 용접의 수축이 고르지 않게 분포되어 발생합니다.

(1) 세로 수축으로 인한 굽힘 왜곡

용접의 종방향 수축으로 인한 굽힘 왜곡

(2) 가로 수축으로 인한 굽힘 왜곡

용접부의 횡방향 수축으로 인한 굽힘 왜곡

4). 웨이브 왜곡

웨이브 왜곡은 두께가 6mm 미만인 박판의 용접 공정에서 종종 발생하며, 이를 불안정 왜곡이라고도 합니다.

용접 필렛 왜곡으로 인한 웨이브 왜곡

5). 왜곡

왜곡의 주요 원인은 용접 길이를 따라 용접 필렛 왜곡이 고르지 않게 분포되어 있기 때문입니다.

왜곡 I-빔

2. 용접 왜곡을 제어하기 위한 조치

1). 설계 조치

(1) 합리적인 용접 모양과 크기를 선택합니다.

1) 가장 작은 용접 크기를 선택합니다.

동일한 지지력을 가진 크로스 조인트

2) 합리적인 그루브 형태를 선택합니다.

T-조인트의 홈

(2) 용접 횟수 줄이기

가능하면 프로파일과 스탬핑 부품이 선호되는 옵션입니다. 용접부가 많고 밀도가 높은 구조의 경우 주조 용접 조인트 구조를 사용하여 용접부 수를 줄일 수 있습니다. 또한 벽판의 두께를 늘려 리브 수를 줄이거나 리브 구조 대신 프로파일 구조를 사용하면 얇은 판 구조의 왜곡을 방지하는 데 도움이 될 수 있습니다.

(3) 용접 위치의 합리적 배치

빔, 기둥 및 기타 용접된 구성 요소는 용접의 편심 구성으로 인해 굽힘 왜곡이 발생하는 경우가 많습니다.

박스 구조의 용접 배열

왜곡을 방지하기 위해 용접 위치를 합리적으로 배치합니다.

2). 프로세스 조치

(1) 수당 지급 방법

(2) 역왜곡 방식

평판의 역왜곡 방식 맞대기 용접

(3) 고정 고정 방법

1) 단단한 플랫폼에 용접부를 고정합니다.

박판 접합 중 견고한 고정

2) 용접부가 보다 견고하거나 대칭적인 구조로 결합됩니다.

T-빔의 견고한 고정 및 왜곡 방지

3) 용접 고정 장치는 구조의 강성과 구속력을 높이는 데 사용됩니다.

버트 접합 중 견고한 고정

4) 임시 지지대를 사용하여 구조의 구속력을 높입니다.

실드 용접 중 임시 지지대

(4) 합리적인 조립 및 용접 순서를 선택합니다.

어셈블리 용접 시퀀스는 용접 구조.

(1) 조건이 허락하는 경우, 크고 복잡한 용접 구조물은 간단한 구조의 여러 부분으로 나누어 개별적으로 용접한 다음 전체적으로 조립해야 합니다.

(2) 용접 시 용접부는 가능한 한 구조 섹션의 중립 축에 가깝게 용접해야 합니다.

메인 빔의 조립 및 용접

3) 용접부가 비대칭으로 배열된 구조물의 경우, 조립 용접 시 용접부가 적은 면을 먼저 용접해야 합니다.

프레스 상부 다이의 용접 순서

4) 용접부가 대칭으로 배열된 구조물은 용접공이 균등하게 대칭으로 용접해야 합니다.

실린더 맞대기 용접의 용접 순서

5) 긴 용접(1m 이상) 시 아래 그림과 같은 방향과 순서로 용접하면 용접 후 수축 왜곡을 줄일 수 있습니다.

(5) 합리적인 선택 용접 방법 용접 공정 파라미터

비대칭 단면 구조의 용접

(6) 열 균형 방법

열 균형 방법을 사용하여 용접 왜곡 방지

(7) 방열 방법

3. 용접 왜곡을 수정하는 방법

1). 수동 수정

2). 기계적 수정 방법

기계적 보정 방법에 의한 빔의 굽힘 왜곡 보정

3). 화염 가열 보정 방법

불꽃 가열 방식에는 점 가열, 선형 가열, 삼각형 가열이 있습니다.

(1) 스팟 난방

(2) 선형 가열

(3) 삼각 난방

I-빔의 굽힘 왜곡에 대한 화염 보정

화염 가열에 의한 용접 왜곡의 보정은 다음 세 가지 요소에 따라 달라집니다:

(1) 난방 모드

(2) 난방 위치

(3) 난방 구역의 난방 온도 및 면적

용접 잔류 응력

1. 용접 잔류 응력의 분류

1). 스트레스의 원인에 따라

(1) 열 스트레스
열 응력은 용접 공정 중 불균일한 온도 분포로 인해 발생합니다. 용접 금속과 주변 모재가 서로 다른 속도로 가열되고 냉각되면서 국부적인 팽창과 수축이 발생하여 응력이 발생합니다.

(2) 변환 스트레스
상변형 응력이라고도 하는 변형 응력은 가열 및 냉각 주기 동안 재료의 미세 구조 변화와 관련된 부피 변화로 인해 발생합니다. 이는 마르텐사이트 또는 바이니틱 변형을 겪는 강철에서 특히 중요합니다.

(3) 소성 변형 응력
소성 변형 응력은 용접 중 열 경사 및 제약 조건으로 인해 소재가 국부적으로 항복할 때 발생합니다. 이러한 불균일한 소성 변형은 냉각 후 잔류 응력 상태에 영향을 미칩니다.

2). 스트레스 존재 시간에 따라

(1) 용접 과도 응력
순간 응력이라고도 하는 용접 과도 응력은 용접 프로세스 자체에서 발생합니다. 이는 열원이 용접 경로를 따라 이동함에 따라 빠르게 변화하는 동적 응력 상태로, 온도 분포와 재료 특성에 지속적인 변화를 일으킵니다.

(2) 용접 잔류 응력
용접 잔류 응력은 용접 구조물이 주변 온도로 완전히 냉각되고 모든 외부 하중이 제거된 후에도 남아 있는 정적 응력입니다. 이 응력은 용접된 부품의 기계적 거동과 서비스 수명에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.

2. 용접 잔류 응력의 분포

1). 세로 분포 잔류 스트레스 σx

용접 0x 단면의 맞대기 조인트 분포

2). 횡방향 잔류 응력 σy의 분포

(1) 용접 및 인접한 소성 변형 영역의 종 방향 수축으로 인한 횡 응력은 σ'y입니다.

(2) 횡축 수축 연도 σ" y로 인한 기계적 응력

σ" 다른 방향으로 용접하는 동안의 σ

3. 용접 잔류 응력이 용접 구조에 미치는 영향

1). 구조 강도에 미치는 영향

2). 용접 가공의 치수 정확도에 미치는 영향

내부 스트레스 가공으로 인한 릴리스 및 왜곡

3). 압축 부재의 안정성에 미치는 영향

4. 용접 잔류 응력 제어를 위한 조치

1). 설계 조치

1) 구조물의 용접 횟수와 크기를 최소화합니다.

2) 과도한 용접 농도를 피하고 용접부 사이에 충분한 거리를 유지하세요.

용기 노즐 용접

3) 강성이 낮은 조인트 형태를 채택해야 합니다.

관절의 강성을 줄이기 위한 조치

2). 프로세스 조치

1) 합리적인 조립 용접 순서와 방향을 채택합니다.

평면에서 용접할 때는 용접부의 종방향 및 횡방향 수축이 비교적 자유로울 수 있도록 해야 합니다.

접합 용접의 합리적인 조립 및 용접 순서

수축이 가장 큰 용접부를 먼저 용접해야 합니다.

커버 플레이트가 있는 듀플렉스 빔 구조의 용접 순서

작동 중 응력이 가장 큰 용접부를 먼저 용접해야 합니다.

버트 I-빔의 용접 순서

평면 교차 용접을 용접할 때 용접 교차점에서 큰 용접 응력이 발생하기 쉽습니다.

평면 교차 용접의 용접 순서

엉덩이 용접이 이루어지는 구조 ⑤ 엉덩이 용접과 필렛 용접 교차합니다.

2) 예열 방법.

3) 냉간 용접.

4) 용접의 구속을 줄이세요.

국소 강성 감소 및 내부 스트레스

가열 "스트레스 릴리프 존" 방법의 개략도

5. 용접 잔류 응력을 제거하거나 줄이는 방법

1). 열처리 방법

(1) 일체형 열처리

(2) 국부적 열처리

2). 기계적 스트레칭 방법

3). 온도 차이 스트레칭 방법

"온도차 인장법"을 통한 잔류 응력 제거의 개략도

4). 해머 용접

5). 진동 방식

6. 용접 잔류 응력 측정

1). 기계적 방법

(1) 분할 방법
단면 절단 방법은 용접된 부품을 작은 조각으로 조심스럽게 절단하여 잔류 응력을 방출하고 측정할 수 있도록 합니다. 이 파괴 기법은 용접 및 열 영향 영역(HAZ)에 대한 포괄적인 응력 프로파일을 제공합니다.

(2) 구멍 뚫기 방법
이 반파괴 방법은 용접 부위에 작은 구멍을 뚫고 그 결과 변형률 이완을 측정하는 것입니다. 표면 근처 잔류 응력 측정에 특히 효과적이며 다양한 깊이에서 응력 분포 데이터를 제공할 수 있습니다.

2). 비파괴 물리적 방법

(1) 자기 방식
바크하우젠 노이즈 분석(BNA) 및 자기 변형과 같은 기술은 재료의 자기 특성과 응력 상태 사이의 관계를 활용합니다. 이러한 방법은 강자성 재료에 특히 적합하며 현장에서 신속하게 측정할 수 있습니다.

(2) X-선 회절(XRD)
XRD는 브래그 법칙의 원리를 활용하여 잔류 응력으로 인한 격자 변형을 측정합니다. 이 매우 정확한 방법은 비파괴적이며 뛰어난 공간 분해능으로 표면 응력을 측정할 수 있어 복잡한 형상 및 다중 패스 용접에 이상적입니다.

(3) 초음파 방법
이러한 기술은 재료의 응력 상태에 따라 초음파의 속도가 변하는 음향 탄성 효과를 활용합니다. 두꺼운 용접 부품의 두께 관통 잔류 응력 측정에는 일반적으로 비행 시간 회절(TOFD) 및 임계 굴절 종단파(LCR)가 사용됩니다.

(4) 중성자 회절
원래 목록에는 언급되어 있지 않지만 중성자 회절은 두꺼운 용접 부품 내부의 잔류 응력을 측정하는 강력한 비파괴 방법입니다. 이 방법은 뛰어난 투과 깊이를 제공하며 복잡한 형상과 다상 재료에 특히 유용합니다.